IGBT驅動的作用與原理以及IGBT和功率MOSFET的驅動電路
IGBT驅動電路作用
IGBT驅動電路的作用主要是將單片機脈沖輸出的功率進行放大，以達到驅動IGBT功率器件的目的。在保證IGBT器件可靠、穩定、安全工作的前提，驅動電路起到至關重要的作用。IGBT是MOSFET管與雙極晶體管的復合器件，既有MOSFET易驅動的優點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優點，其頻率特性介于MOSFET管與功率晶體管之間，可正常工作于數十千赫茲的頻率范圍內。為了讓IGBT安全、可靠地工作，其柵極應連接與之匹配的驅動電路。IGBT驅動的兩個功能， 實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離;提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。
? 一.驅動電路的要求
? ? (1)提供適當的正反向電壓，使IGBT能可靠地開通和關斷。當正偏壓增大時IGBT通態壓降和開通損耗均下降，但若ce過大，則負載短路時其c隨ce增大而增大，對其安全不利，使用中選GE《15V為好。負偏電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般選UGE一一5V為宜。
(2)IGBT的開關時間應綜合考慮。快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下，IGBT的開頻率不宜過大，因為高速開斷和關斷會產生很高的尖峰電壓，及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。
(3)IGBT開通后，驅動電路應提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞。
(4)IGBT驅動電路中的電阻尺G對工作性能有較大的影響，尺。較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關時間和開關損20耗；Rc較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損壞。Rc的具體數據與驅動電路的結構及IGBT的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT其Rc值較大。
(5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。IGBT的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當的防靜電措施情況下，G—E斷不能開路。
? ? 二．常見的IGBT驅動電路
? ? （1）脈沖變壓器式
? ? 該方式是利用變壓器的工作原理，由次級感應電壓直接驅動IGBT，如圖1所示。由于變壓器具有阻抗變換與隔離作用，所以這種驅動方式不僅簡化了驅動電路，還解決了驅動電路的供電與 IGBT不共地的連接問題。
圖1 采用脈沖變壓器隔離驅動IGBT
2、采用光耦合器及CMOS 驅動IGBT
電路圖如圖2 所示，該電路自身帶過流保護功能，光耦合器將脈沖控制電路與驅動電路隔離，4011 的四個與非門并聯工作提高了驅動能力，互補晶體管V1、V2 降低驅動電路阻抗，通過R1、C1 與R2、C2 獲得不同的正、反向驅動電壓，以滿足各種IGBT 對柵極驅動電壓的要求。該電路由于受光耦合器傳輸速度的影響，其工作頻率不能太高，同時受4011 型CMOS電路最高工作電壓的限制，使+VGE 和-VGE 的幅值相互牽制，并受到限制。
圖2 采用光耦合器及CMOS 驅動IGBT
3、 用專用混合集成驅動電路
目前，國外很多生產IGBT 器件的公司，為了解決IGBT 驅動的可靠性問題，紛紛推出IGBT專用驅動電路，如美國MOTOROLA 公司的MPD 系列、日本東芝公司的KT 系列、日本富士公司的EXB 系列等。這些驅動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現IGBT 的最優驅動，但一般價格比較昂貴，對于普通用戶很難接受。
?三.IGBT參數對驅動電路設計的要求
? IGBT 的驅動條件與它的靜態和動態特性密切相關。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓-VGE 和柵極電阻RG 的大小，對IGBT 的通態電壓、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dVCE/dt等參數都有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關系如表1 所示。
? ? 表1 門極驅動條件與器件特性的關系
? 1、 正偏壓+VGE 的影響
當VGS 增加時，通態電壓下降，IGBT 的開通能量損耗下降，但是VGE 不能隨意增加，因為VGE 增加到一定程度之后對IGBT 的負載短路能力及dVCE/dt 電流有不利影響。
2、 負偏壓-VGE 的影響
負偏壓也是很重要的門極驅動條件，它直接影響IGBT 的可靠運行。雖然-VGE 對關斷能耗沒有顯著影響，擔負偏壓的增高會使漏極浪涌電流明顯下降，從而避免過大的漏極浪涌電流使IGBT 發生不可控的擎住現象。
3、 門極電阻RG 的影響
門極電阻增加，使IGBT 的開通與關斷能耗均增加，門極電阻減小又使di/dt 增大，可能引發IGBT 誤導通，同時RG 上的能耗也有所增加。所以通常RG 一般取十幾歐到幾百歐之間。
因此，為了使IGBT 能夠安全可靠得到通和關斷，其驅動電路必須滿足一下條件：
1.由于是容性輸入阻抗，IGBT 對門極電荷集聚很敏感，因此要保證有一條低阻抗值得放電回路。
2.門極電路中的正偏壓應為+12-15V，負偏壓-2–10V。
3. 驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離。
4.門極驅動電路應盡可能簡單實用，具有對IGBT 的自保護功能，并有較強的抗干擾能力。
一、驅動電路概述
驅動電路又稱為激勵電路，它是主電路與控制電路之間的接口，它的主要作用體現在：
(1)使功率開關管工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。
(2)對功率開關管或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。
驅動電路的基本任務將控制電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加在功率開關管的控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號，保證功率開關管在該關斷的時候關斷，并在整個關斷期間維持關斷；在該開通的時候迅速開通，并在整個開通期間維持開通。
在開關電源中，控制電路中的信號一般是弱電信號，而主電路中的信號是強電信號，為了防止主電路中的強電信號干擾控制電路中的弱電信號，在主電路與控制電路之間的接口——驅動電路，需要設置電氣隔離環節，驅動電路中的電氣隔離一般采用光隔離或磁隔離，光隔離一般采用光耦合器，磁隔離的元件通常是變壓器。
驅動電路根據驅動的功率開關管的不同，可以分為電流驅動型和電壓驅動型，其中功率晶體管需要電流型驅動電路驅動，電壓型驅動電路驅動功率MOSFET和IGBT。驅動電路根據電路的具體形式可以分為分立元件組成的驅動電路和專用集成驅動電路，目前的趨勢是和采用集成驅動電路。
??二、功率MOSFET的驅動電路
??3.1?功率MOSFET的驅動電路的要求
(1)由于功率MOSFET的柵極和源極之間有數千皮法的電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。
(2)MOSFET開通的驅動電壓一般為10～15 V。
(3)關斷時施加一定幅值的負驅動電壓(一般取-5～-15 V)有利于減小關斷時間和關斷損耗。
(4)在柵極串入一只低值電阻(數十歐左右)可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨著被驅動器件電流額定值的增大而減小。
??3.2?功率MOSFET的驅動電路
功率MOSFET的驅動電路如圖2所示，該電路由電氣隔離和晶體管放大電路兩個部分組成。當無輸入信號時，高速放大器A輸出負電平，V3導通輸出負驅動電壓；當有輸入信號時，A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓。
圖2 功率MOSFET的驅動電路
三、?IGBT的驅動電路
??2.1?功率IGBT的驅動電路的要求
(1)由于功率IGBT的柵極和發射極之間有數千皮法的電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。
(2)MOSFET開通的驅動電壓一般為15～20 V。
(3)關斷時施加一定幅值的負驅動電壓(一般取-5～-15 V)有利于減小關斷時間和關斷損耗。
(4)在柵極串入一只低值電阻(數十歐左右)可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。
??2.2?IGBT的驅動電路
IGBT的驅動電路多采用專用的混合集成驅動器，常用的有三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851)三菱公司的M579系列內部具有退飽和檢測和保護環節，當發生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號，M57962L輸出的正驅動電壓均為+15V左右，負驅動電壓為-10V。M57962L型集成IGBT驅動電路的原理和接線圖如圖1所示。
圖1 ?M57962L型集成IGBT驅動電路的原理和接線圖
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??3.3?集成MOSFET驅動電路
專為驅動MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2 A和-3A，輸出驅動電壓為+15V和-10?V。
IGBT驅動的作用與原理以及IGBT和功率MOSFET的驅動電路
